(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量の変化に基づいて液位を検出する静電容量式液位検出装置であって、
液位の変化に応じて変位すると共に金属電極を有する金属フロートと、
前記金属フロートの周囲において液位の変化方向に伸びる４枚の電極と、
前記金属フロートと前記４枚の電極との間に介在される誘電性を有する介在部材と、を備え、
前記４枚の電極は、同一形状であり、
前記４枚の電極のうち対になる２枚の電極は、液位の増加方向に対して一定割合で電極の幅が広くなっており、
前記４枚の電極のうち対になる他の２枚の電極は、液位の増加方向に対して一定割合で電極の幅が狭くなっている
ことを特徴とする静電容量式液位検出装置。
【請求項２】
前記介在部材は、液位の変化方向に伸びる円筒であって、
前記金属フロートは、液位の変化方向からみて円形状であって、前記円筒内に配置され、
前記４枚の電極は、前記円筒外壁に接触状態で設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の静電容量式液位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量式液位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静電容量の変化に基づいて液位を検出する静電容量式液位検出装置が提案されている。この装置は、筒状の第１電極と、第１電極の筒内に配置される筒状の第２電極とを備えている。そして、この装置は、液位が変化することにより両電極間に満たされる液体の量が変化して誘電率も変化することから、液位を検出することができる（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、他の静電容量式液位検出装置としては、中心部に貫通孔を有したフロートと、フロートの貫通孔を貫通する長尺のフロート軸と、フロート軸上に張り付けられた電極とを備えている。この装置は、フロート貫通孔の内側に電極を備えている。また、フロート軸上に張り付けられた電極は、フロート軸に沿って電極幅が変化している。このため、この装置は、液位の変化に対して電極間の静電容量が変化することにより、液位を検出することができる（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２６１６６号公報
【特許文献２】特開平１１−２８１４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、特許文献１に記載の静電容量式液位検出装置において、液位の検出精度を上げるためには両電極間の距離を小さくする必要がある。しかし、電極間の距離を小さくした場合、毛細管現象や液体の表面張力により液体が電極間に浸入して、適切な液位を検出できなくなってしまう。
【０００６】
また、特許文献２に記載の静電容量式液位検出装置では、フロート軸上に張り付けられた電極と、フロート貫通孔の内側に設けられた電極との間に液体が存在することとなり、液体の誘電率によって液位の検出精度が低下してしまう。さらに、特許文献２に記載の静電容量式液位検出装置は、温度補正をするために温度センサ等を設けなければならず、構成が複雑化してしまう。
【０００７】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その発明の目的とするところは、誘電率補正及び温度補正を可能として液位の検出精度を向上させると共に、構成の複雑化を抑制することが可能な静電容量式液位検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の静電容量式液位検出装置は、静電容量の変化に基づいて液位を検出する静電容量式液位検出装置であって、液位の変化に応じて変位すると共に金属電極を有する金属フロートと、金属フロートの周囲において液位の変化方向に伸びる４枚の電極と、金属フロートと４枚の電極との間に介在される誘電性を有する介在部材と、を備え、４枚の電極は、同一形状であり、４枚の電極のうち対になる２枚の電極は、液位の増加方向に対して一定割合で電極の幅が広くなっており、４枚の電極のうち対になる他の２枚の電極は、液位の増加方向に対して一定割合で電極の幅が狭くなっていることを特徴とする。
【０００９】
この静電容量式液位検出装置によれば、４枚の電極は、同一形状であり、４枚の電極のうち対になる２枚の電極は、液位の増加方向に対して一定割合で電極の幅が広くなっており、４枚の電極のうち対になる他の２枚の電極は、液位の増加方向に対して一定割合で電極の幅が狭くなっている。このため、温度変化が生じた場合であっても、２枚の電極に基づく静電容量出力と他の２枚の電極に基づく静電容量出力については、同様に変化することとなり、両者の差分をとることによって温度特性がキャンセルされる。また、温度特性がキャンセルされるため、温度センサを別途設ける必要がなく構成の複雑化を抑制することができる。
【００１０】
さらに、液位が上昇すると２枚の電極における静電容量は一定割合で増加することとなり、他の２枚の電極における静電容量は一定割合で減少することとなる。しかも、４枚の電極は同じ形状であるため、上記増加分と減少分とは一致することとなる。よって、２枚の電極に基づく静電容量出力と他の２枚の電極に基づく静電容量出力との平均は、液位に拘わらず誘電率を加味した一定値となる。これにより、誘電率が明らかとなり、誘電率補正が可能となる。
【００１１】
従って、誘電率補正及び温度補正を可能として液位の検出精度を向上させると共に、構成の複雑化を抑制することができる。
【００１２】
また、本発明の静電容量式液位検出装置において、介在部材は、液位の変化方向に伸びる円筒であって、金属フロートは、液位の変化方向からみて円形状であって、円筒内に配置され、４枚の電極は、円筒外壁に接触状態で設けられていることが好ましい。
【００１３】
この静電容量式液位検出装置によれば、介在部材は、液位の変化方向に伸びる円筒であって、金属フロートは、液位の変化方向からみて円形状であって、円筒内に配置され、４枚の電極は、円筒外壁に接触状態で設けられている。このため、金属フロートは円筒によりガイドされることとなり、且つ、４枚の電極が円筒外壁に接触状態で設けられているため、金属フロートと４枚の電極との位置関係を保持し易くすることができる。加えて、円筒の内側に液体を浸入させるために円筒に小孔を設けた場合、円筒内側と外側との液体の出入りを制限することとなり、円筒の内側に入った液体を半密閉状態とすることができる。これにより、車両の振動による円筒内の液面の遥動を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、誘電率補正及び温度補正を可能として液位の検出精度を向上させると共に、構成の複雑化を抑制することが可能な静電容量式液位検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る静電容量式液位検出装置の一部破断図である。
【図２】図１に示した金属フロート、４枚の電極及び介在部材の断面図である。
【図３】図１に示した４枚の電極の展開図である。
【図４】金属フロートと４枚の電極との静電容量を示す概略図である。
【図５】金属フロートと対となる２枚の電極との静電容量、及び、金属フロートと他の対となる２枚の電極との静電容量とを示す概略図である。
【図６】静電容量の差分を示す概略図である。
【図７】静電容量の平均を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る静電容量式液位検出装置の一部破断図である。図１に示すように、静電容量式液位検出装置１は、液体（液化ガスも含む）Ｆを収納したタンク１０内の液位を静電容量に基づいて検出するものであって、タンク１０と、金属フロート２０と、４枚の電極３０ａ〜３０ｄと、介在部材４０と、検出回路５０と、フランジ６０とを備えている。
【００１７】
タンク１０は、内部に液体Ｆを収納するものである。このタンク１０は、例えば、樹脂や金属部材により構成されている。金属部材としては、鉄やアルミやステンレスなどが挙げられる。
【００１８】
金属フロート２０は、タンク１０内の液位の変化に応じて上下に変位するものであって、中空円柱状に形成されている。また、金属フロート２０は、全体が金属からなり金属電極を形成するものである。なお、金属フロート２０は、その表面だけが金属からなり金属電極を形成していてもよいし、表面が樹脂で中心部だけが金属からなり金属電極を形成していてもよいし、表面が樹脂であり、内部に円形の金属を有し、さらにその円形の金属の内側が樹脂であるなど、３層等の構造で金属電極を形成してもよい。
【００１９】
４枚の電極３０ａ〜３０ｄは、金属フロート２０の周囲において液位の変化方向に延びる金属部材である。介在部材４０は、金属フロート２０と４枚の電極３０との間に介在される誘電性を有する部材であって、液位の変化方向に伸びる部材である。これら構成について図２及び図３を参照して説明する。
【００２０】
図２は、図１に示した金属フロート２０、４枚の電極３０ａ〜３０ｄ及び介在部材４０の断面図である。上記したように金属フロート２０は円柱形状となっている。このため、図２に示すように、金属フロート２０は液位の変化方向からみて円形状となっている。また、介在部材４０は円筒となっており、金属フロート２０は円筒内に配置されている。このため、金属フロート２０は円筒によりガイドされることとなる。なお、介在部材４０は、円筒内部に液体Ｆが浸入するように下端面や下端側面等に液体侵入用の開口が形成され、上端面や上端側面等にエア抜き用の開口が形成されている。
【００２１】
また、４枚の電極３０ａ〜３０ｄは、介在部材４０の外壁、すなわち円筒外壁に張り付けられている。また、金属フロート２０は円筒によりガイドされることから、金属フロート２０と４枚の電極３０ａ〜３０ｄとの位置関係が変化し難くなっている。なお、４枚の電極３０ａ〜３０ｄは介在部材４０に張り付けられていなくともよく、介在部材４０上に金属メッキを施したり、スパッタリングで製膜したりしてもよい。すなわち、４枚の電極３０ａ〜３０ｄは介在部材４０上に接触状態で設けられていればよい。
【００２２】
図３は、図１に示した４枚の電極３０ａ〜３０ｄの展開図である。図３に示すように、４枚の電極３０ａ〜３０ｄは例えば台形状であり、それぞれが同一形状となっている。このうち、第１及び第３電極３０ａ，３０ｃは、対になっており、液位の増加方向に対して一定割合で電極３０ａ，３０ｃの幅が広くなっている。一方、第２及び第４電極３０ｂ，３０ｄは、対になっており、液位の増加方向に対して一定割合で電極３０ｂ，３０ｄの幅が狭くなっている。
【００２３】
再度、図１を参照する。検出回路５０は、金属フロート２０と４枚の電極３０ａ〜３０ｄとの間で生じる静電容量に基づいて液位を検出するものである。フランジ６０は、介在部材４０、及び検出回路５０を一体的に接続する部材である。また、フランジ６０は、タンク１０の開口部Ｒを塞ぐように配置されている。
【００２４】
図４は、金属フロート２０と４枚の電極３０ａ〜３０ｄとの静電容量を示す概略図である。金属フロート２０と第１及び第３電極３０ａ，３０ｃとの静電容量、並びに、金属フロート２０と第２及び第４電極３０ｂ，３０ｄとの静電容量は図４に示すようになる。
【００２５】
すなわち、金属フロート２０と第１電極３０ａとの静電容量をＣａとし、金属フロート２０と第２電極３０ｂとの静電容量をＣｂとし、金属フロート２０と第３電極３０ｃとの静電容量をＣｃとし、金属フロート２０と第４電極３０ｄとの静電容量をＣｄとしたとする。この場合、第１電極３０ａと第３電極３０ｃとの静電容量Ｃａｃは、Ｃａｃ＝１／（１／Ｃａ＋１／Ｃｃ）となる。また、第２電極３０ｂと第４電極３０ｄとの静電容量Ｃｂｄは、Ｃｂｄ＝１／（１／Ｃｂ＋１／Ｃｄ）となる。
【００２６】
次に、本実施形態に係る静電容量式液位検出装置１による液位検出の概要について説明する。図５は、金属フロート２０と対となる２枚の電極３０ａ，３０ｃとの静電容量、及び、金属フロート２０と他の対となる２枚の電極３０ｂ，３０ｄとの静電容量とを示す概略図である。
【００２７】
図１及び図３に示したように、第１及び第３電極３０ａ，３０ｃは、液位の増加方向に対して一定割合で電極３０ａ，３０ｃの幅が広くなっており、第２及び第４電極３０ｂ，３０ｄは、液位の増加方向に対して一定割合で電極３０ｂ，３０ｄの幅が狭くなっている。このため、静電容量Ｃａｃは液位の増加に応じて単調増加し、静電容量Ｃｂｄは液位の増加に応じて単調減少する。
【００２８】
図６は、静電容量の差分を示す概略図である。上記の如く、静電容量Ｃａｃは液位の増加に応じて単調増加し、静電容量Ｃｂｄは液位の増加に応じて単調減少する。このため、両者の差分（Ｃａｃ−Ｃｂｄ）をとることにより、静電容量は、図６に示すように液位の増加に応じて単調増加することとなる。図１に示した検出回路５０は、図６に示すように単調増加する静電容量から液位を検出することとなる。すなわち、検出回路５０は、例えば図６に示すような液位と静電容量との関係を示すデータを記憶しておき、得られた差分に基づいて液位を検出する。
【００２９】
次に、本実施形態に係る静電容量式液位検出装置１の動作を説明する。例えば、タンク１０内に液体Ｆが入っていない状態から、任意の液位（例えば図１に示す位置）まで満たされたとする。この場合、介在部材４０の開口部を介して液体Ｆが介在部材４０の内部に侵入し、金属フロート２０は液位に応じて変位する。
【００３０】
検出回路５０は、上記のような状態において静電容量を検出する。そして、検出回路５０は、検出した静電容量の差分（Ｃａｃ−Ｃｂｄ）をとり、予め記憶されるデータに基づいて液位を検出することとなる。なお、検出回路５０は静電容量の差分をとるため、温度が変化したとしても両静電容量は同じように変化することから、温度特性をキャンセルすることができる。
【００３１】
また、４枚の電極３０ａ〜３０ｄの形状及び配置の関係から、図５に示すように、第１及び第３電極３０ａ，３０ｃの静電容量の増加分と、第２及び第４電極３０ｂ，３０ｄの静電容量の減少分とが一致することとなる。このため、両者の静電容量の平均は一定値となる。
【００３２】
図７は、静電容量の平均を示す概略図である。図７に示すように、静電容量の平均（（Ｃａｃ＋Ｃｂｄ）／２）は液位に拘わらず一定値となる。なお、この一定値は液体Ｆの誘電率に依存するものであり、誘電率の異なる液体Ｆがタンク１０に収容されている場合には異なる値となる。検出回路５０は、図７に示す如く、静電容量の平均をとることにより、誘電率を求めることができ、誘電率補正を行うことができる。
【００３３】
このようにして、本実施形態に係る静電容量式液位検出装置１によれば、４枚の電極３０ａ〜３０ｄは、同一形状であり、４枚の電極３０ａ〜３０ｄのうち対になる２枚の電極３０ａ，３０ｃは、液位の増加方向に対して一定割合で電極の幅が広くなっており、４枚の電極３０ａ〜３０ｄのうち対になる他の２枚の電極３０ｂ，３０ｄは、液位の増加方向に対して一定割合で電極の幅が狭くなっている。このため、温度変化が生じた場合であっても、２枚の電極３０ａ，３０ｃに基づく静電容量出力と他の２枚の電極３０ｂ，３０ｄに基づく静電容量出力については、同様に変化することとなり、両者の差分をとることによって温度補正が可能となる。また、温度補正が可能となるため、温度センサを別途設ける必要がなく構成の複雑化を抑制することができる。
【００３４】
さらに、液位が上昇すると２枚の電極３０ａ，３０ｃにおける静電容量は一定割合で増加することとなり、他の２枚の電極３０ｂ，３０ｄにおける静電容量は一定割合で減少することとなる。しかも、４枚の電極３０ａ〜３０ｄは同じ形状であるため、上記増加分と減少分とは一致することとなる。よって、２枚の電極３０ａ，３０ｃに基づく静電容量出力と他の２枚の電極３０ｂ，３０ｄに基づく静電容量出力との平均は、液位に拘わらず誘電率を加味した一定値となる。これにより、誘電率が明らかとなり、誘電率補正が可能となる。
【００３５】
従って、誘電率補正及び温度補正を可能として液位の検出精度を向上させると共に、構成の複雑化を抑制することができる。
【００３６】
また、介在部材４０は、液位の変化方向に伸びる円筒であって、金属フロート２０は、液位の変化方向からみて円形状であって、円筒内に配置され、４枚の電極３０ａ〜３０ｄは、円筒外壁に接触状態で設けられている。このため、金属フロート２０は円筒によりガイドされることとなり、且つ、４枚の電極３０ａ〜３０ｄが円筒外壁に接触状態で設けられているため、金属フロート２０と４枚の電極３０ａ〜３０ｄとの位置関係を保持し易くすることができる。
【００３７】
なお、図２に示すように、金属フロート２０は円筒の介在部材４０の内部に配置されている。このため、金属フロート２０をなるべく介在部材４０に近接するように設計することで、金属フロート２０と介在部材４０との隙間に浸入する液体Ｆの量を少なくすることができ、毛細管現象や表面張力により金属フロート２０と介在部材４０との間に液体Ｆが浸入したとしても影響を受け難くすることもできる。
【００３８】
加えて、特許文献２に記載の液位検出装置ではフロート軸やフロートに高い精度が要求され、製造コストが高くなってしまうが、本実施形態ではコスト面でも有利である。すなわち、本実施形態では金属フロート２０の大きさや介在部材４０の大きさがやや異なっていたとしても、静電容量の大きさがやや変化するのみであり、その差分や平均には影響がないことから、製造コストを抑えることができる。
【００３９】
特に本実施形態では寸法誤差の影響から、金属フロート２０と介在部材４０との隙間が大きくなり、金属フロート２０が横方向（液位変化方向に対して垂直な方向）に移動したとしても、その影響を受けない。例えば、図４に示すように、金属フロート２０が第１電極３０ａの方向に移動したとする。この場合、静電容量Ｃａは大きくなるが静電容量Ｃｃは小さくなり、バランスがとれ、静電容量Ｃａｃの変化が抑えられる。よって、金属フロート２０が横方向に移動しても液位の検出精度に問題が無く、金属フロート２０や介在部材４０に厳密な寸法を要求されないことから製造コストを抑えることができる。
【００４０】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。
【００４１】
例えば、本実施形態に係る静電容量式液位検出装置１は液位に応じて変位する金属フロート２０をタンク１０の中央部に有しているが、これに限らず、タンク壁側に有していてもよい。さらに、介在部材４０は液位の変化方向に伸びる円筒であるが、これに限らず円筒でなくてもよいし、液位の変化方向に対してやや傾いた方向に伸びていてもよい。
【００４２】
また、本実施形態において４枚の電極３０ａ〜３０ｄは台形状となっているが、これに限らず、直角三角形など他の形状であってもよい。加えて、本実施形態では４枚の電極３０ａ〜３０ｄを有していればよく、付加的に他の電極を備えていてもよい。すなわち、少なくとも４枚の電極３０ａ〜３０ｄを備えていればよい。
【００４３】
また、本実施形態に係る金属フロート２０は円柱形状であるが、これに限らず、球形状であってもよい。なお、金属フロート２０が円柱形状である場合、円柱上部及び下部と４枚の電極３０ａ〜３０ｄとの距離が等しくなり、金属フロート２０と４枚の電極３０ａ〜３０ｄの対向面積が大きく、且つ短い距離で配置できるため、液位の検出精度の面で有利である。一方、金属フロート２０が球形状である場合、耐圧に優れているため高圧液化ガスタンクに使用する場合に有利である。
【符号の説明】
【００４４】
１…静電容量式液位検出装置
１０…タンク
２０…金属フロート
３０ａ〜３０ｄ…電極
４０…介在部材
５０…検出回路
６０…フランジ
【図１】
0005685483.tif 000002
【図２】
0005685483.tif 000003
【図３】
0005685483.tif 000004
【図４】
0005685483.tif 000005
【図５】
0005685483.tif 000006
【図６】
0005685483.tif 000007
【図７】
0005685483.tif 000008